區(qū)塊鏈作為分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等技術(shù)的集成應(yīng)用，被認(rèn)為是繼大型機(jī)、個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)之后計(jì)算模式的顛覆式創(chuàng)新，在全球范圍醞釀著一場新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革。
區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新被認(rèn)為是天作之合，一方面，借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的物理防篡改，有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)從鏈下到鏈上的“過程可信”；另一方面，區(qū)塊鏈將各自分離、協(xié)議不同的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈接在一起，并通過安全機(jī)制、智能合約等，形成跨系統(tǒng)跨邊界的數(shù)據(jù)共享協(xié)作新模式。
基于傳統(tǒng)中心化分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)，在即將到來的億級海量終端設(shè)備接入時，在網(wǎng)絡(luò)承載容量、服務(wù)器負(fù)荷、數(shù)據(jù)安全等面臨著巨大的挑戰(zhàn)。具有去中心化、去信任和數(shù)據(jù)加密特點(diǎn)的區(qū)塊鏈技術(shù)為解決這些問題提供了契機(jī)。本文將闡述如何利用區(qū)塊鏈思維將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、降低成本、建立可信、多主體協(xié)作和邊緣計(jì)算等方面提高電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)的性能。并針對性能、存儲、能源消耗等一系里潛在問題給出了改進(jìn)方案。
研究要點(diǎn)
1、區(qū)塊鏈技術(shù)
區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，沒有中心，區(qū)塊鏈中的每個節(jié)點(diǎn)都會同步復(fù)制整個賬本，信息透明難以篡改。區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。
需要指出的是，比特幣只是區(qū)塊鏈技術(shù)的一種應(yīng)用成果，區(qū)塊鏈并不等于比特幣。區(qū)塊鏈的發(fā)展必須跳出“比特幣區(qū)塊鏈”的思維和定式，轉(zhuǎn)而注重運(yùn)用相關(guān)技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)際問題，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的積極作用：
（1）“去中心”只是比特幣區(qū)塊鏈的特點(diǎn)，并不代表所有的區(qū)塊鏈都必須是去中心的“公有鏈”不是區(qū)塊鏈的必要內(nèi)容。區(qū)塊鏈也可以在私有計(jì)算機(jī)群上中心化獨(dú)立運(yùn)行，或者吸引一定的合格參與者加盟，形成由加盟者計(jì)算機(jī)組群共同運(yùn)行的半中心化“聯(lián)盟鏈”運(yùn)行體系。
（2）比特幣等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)生“幣”，與區(qū)塊鏈并不是密不可分的
區(qū)塊鏈不一定需要像比特幣這樣的激勵機(jī)制，即可以轉(zhuǎn)變區(qū)塊鏈的運(yùn)行重心：從聚焦于“挖礦”產(chǎn)生“數(shù)字加密貨幣”，轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)化對資產(chǎn)合法性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性以及交易雙方身份的真實(shí)性、準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，進(jìn)而將區(qū)塊鏈融入到現(xiàn)實(shí)世界之中，真正解決現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)際問題，并充分滿足國家法律和監(jiān)管要求，避免成為非法交易、恐怖輸送等的工具。
2、輸變電設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)存在的問題
輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)方案中，海量傳感器獲取的感知數(shù)據(jù)將通過匯聚節(jié)點(diǎn)上傳至接入節(jié)點(diǎn)，并最終通過網(wǎng)絡(luò)層的接入控制器和控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)入云平臺的服務(wù)器。該方案本質(zhì)上仍是一個中心化的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)面臨數(shù)以億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備接入和數(shù)據(jù)傳輸時面臨著一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。一方面，支持海量終端傳感器和信息的接入與服務(wù)請求響應(yīng)是將來的必然需求，中心化服務(wù)使得其服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫的負(fù)荷急劇增加乃至難以為繼。另一方面，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)和認(rèn)證和訪問控制方面受到威脅。
3、區(qū)塊鏈技術(shù)與電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)融合
本文提出利用區(qū)塊鏈思維來改進(jìn)電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)：
（1）利用區(qū)塊鏈中“去中心化”這一核心思想來解決“中心化”所固有的容量不足、成本高企和信任度低等問題。
（2）平衡“去中心化”與“中心化”，實(shí)現(xiàn)ABCD，即人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)（AI, Blockchain, Cloud computing,big Data, ABCD）的交叉與融合。
（3）采用智能合約實(shí)現(xiàn)去中心化環(huán)境下的多主體協(xié)作。
在區(qū)塊鏈思維指導(dǎo)下，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，由海量終端傳感器、區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)、區(qū)塊鏈、云平臺等組成。
圖1 基于區(qū)塊鏈的電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)架構(gòu)
4、關(guān)鍵技術(shù)
（1）分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈設(shè)計(jì)
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)一個特性是便于劃分片區(qū)。小到一個變電站，站內(nèi)安裝的局部放電、氣體組分、溫濕度、視頻、紅外等所有傳感器，依托于匯聚節(jié)點(diǎn)或接入節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成一個小的區(qū)塊鏈。若干變電站間再通過接入控制器或接入網(wǎng)關(guān)構(gòu)建一個更大范圍的區(qū)塊鏈。這樣就將原始的區(qū)塊鏈切分為很多分區(qū)，交易記錄將在不同分區(qū)并行處理。因此，可將圖1所示架構(gòu)改進(jìn)為圖2所示的分區(qū)并行聯(lián)盟鏈。根據(jù)區(qū)域或業(yè)務(wù)對電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行合理分區(qū)即并行化處理，再通過跨鏈互聯(lián)節(jié)點(diǎn)在互聯(lián)鏈中與云平臺節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)及服務(wù)交易。片內(nèi)交易時的共識機(jī)制采用流水化技術(shù)優(yōu)化效率，并通過隨機(jī)輪換記賬節(jié)點(diǎn)集合機(jī)制進(jìn)一步提升效率，從而最終構(gòu)建一個更適用于電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)的分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈。
圖2 分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈結(jié)構(gòu)
（2）共識算法的改進(jìn)
資源消耗大是限制區(qū)塊鏈應(yīng)用的重要因素之一，傳統(tǒng)基于挖礦的記賬權(quán)競爭方式就是典型的對自由消耗巨大的共識機(jī)制，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)時需要進(jìn)行針對性的優(yōu)化?；谕镀钡墓沧R機(jī)制（如PBFT算法），并通過分組的方法進(jìn)一步提高效率，可有效減少資源消耗并提升交易速度及吞吐量，更適用于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。
（3）泛在物聯(lián)網(wǎng)下的智能合約
智能合約在本文提出的電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)中起著打通節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)及協(xié)作壁壘的關(guān)鍵作用。以一個簡單的應(yīng)用來說明其運(yùn)行機(jī)制。假設(shè)智能合約部署了一個母線溫度數(shù)據(jù)的報警閾值，當(dāng)某傳感器發(fā)起數(shù)據(jù)交易時，數(shù)據(jù)首先被物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到區(qū)塊鏈中的智能合約中，智能合約判斷該數(shù)據(jù)是否為溫度數(shù)據(jù)及是否超過閾值，并將結(jié)果發(fā)送給約定的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或是云平臺。同時，智能合約將數(shù)據(jù)廣播至全網(wǎng)絡(luò)，完成后續(xù)的數(shù)據(jù)交易流程。
（4）加密算法
目前主要的大區(qū)塊鏈平臺使用的加密算法多采用國際標(biāo)準(zhǔn)，如SHA256等。從國家安全角度來講，數(shù)據(jù)安全在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)之初就應(yīng)當(dāng)被納入考慮范圍。在電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)中開發(fā)基于國密算法的區(qū)塊鏈平臺，可有效保障泛在電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全保密。
（5）數(shù)據(jù)壓縮
參與維護(hù)區(qū)塊鏈的各節(jié)點(diǎn)需要在本地存儲一份賬本。隨著數(shù)據(jù)交易的進(jìn)行，數(shù)據(jù)膨脹不可避免。結(jié)合基于區(qū)塊鏈的電力設(shè)備泛在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，可將硬件性能更強(qiáng)的接入網(wǎng)關(guān)或接入控制器劃分為重型節(jié)點(diǎn)，而性能稍弱的匯聚節(jié)點(diǎn)或接入節(jié)點(diǎn)劃分為輕型節(jié)點(diǎn)。重型節(jié)點(diǎn)將存儲區(qū)塊鏈的全量數(shù)據(jù)，而輕型節(jié)點(diǎn)只存儲Merkle根節(jié)點(diǎn)的256哈希值，即只參與交易驗(yàn)證，不存儲數(shù)據(jù)。
結(jié)論
（1）區(qū)塊鏈系統(tǒng)與傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)相比，其中心化和區(qū)域數(shù)據(jù)共享機(jī)制涉及多個電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)本部門，對安全性的要求難度也更大，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的建立、安全和防攻擊需要大量的協(xié)同工作和技術(shù)攻關(guān)。
（2）任何一個好的技術(shù)或者工具都需要被正確使用才能發(fā)揮更大的價值。區(qū)塊鏈系統(tǒng)要消耗大量的資源進(jìn)行分布式存儲和處理，集中式管理成本更低，如何權(quán)衡系統(tǒng)的綜合效能、分析不同場景的應(yīng)用效果、發(fā)揮區(qū)塊鏈的使用價值還需要深入細(xì)致的研究工作。
（3）電力專業(yè)人員目前對區(qū)塊鏈技術(shù)的基本概念、實(shí)現(xiàn)方法、應(yīng)用價值認(rèn)識不足，而區(qū)塊鏈技術(shù)在電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用需要高電壓、電力系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和信息處理等專業(yè)的深度融合，通過創(chuàng)新性思維和開創(chuàng)性的研究工作才能發(fā)揮作用，交叉學(xué)科人才的缺乏可能影響技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。
來源：高電壓技術(shù) 作者：江秀臣，羅林根，余鐘民，傅曉飛
